Method for prevention and control of spontaneous combustion of coal seam and its application in mining field

Spontaneous combustion of coal seam has been and continues to be a big problem in coal mines. It could pose great threat to the safety of the whole mine and all miners, especially when it occurs in or nearby coal mines. Besides, environment of area surrounded mines during combustion can be threatened where large amount of toxic gases including CO_2, CO, SO_2 and H_2S can be leased by fire in mine. Hence, it is important and significant for scholars to study the controlling and preventing of the coal seam fire. In this paper, the complicated reasons for the occurrence and development of spontaneous combustion in coal seam are analysed and different models under various air leakage situations are built as well. Based on the model and approximately calculation, the difficulty of fire extinguishment in coal seam is pointed out as the difficulty and poor effect to remove the large amount of heat released. Detailed measurements about backfilling and case analyses are also provided on the basis of the recent ten years' practice of controlling spontaneous combustion in coal seams in China. A technical fire prevention and control method has been concluded as five steps including detection, prevention, sealing, injection and pressure adjustment. However, various backfill materials require different application and environmental factors, so in this paper, analyses and discussion about the effect and engineering application of prevention of spontaneous combustion are provided according to different backfilling technologies and methods. Once the aforementioned fire prevention can be widely applied and regulated in mines, green mining will be achievable concerning mine fire prevention and control.

煤矿热动力灾害防控研究现状及趋势综述

为分析煤矿热动力灾害防治理论及技术相关研究现状,提高对煤自燃、瓦斯爆炸及诱发耦合灾害等方面的认识,系统总结了当前煤矿热动力灾害研究的成果,分析研究领域国内外进展及不足。研究结果表明:当前热动力灾害基础理论方面需深入多灾种耦合复杂致灾机理及影响机制的研究,防治技术方面需着力发展精细化、低碳化、智能化防治技术及装备,管理方面需以科学理论为基础,制定合理可行的监管监察防灾治灾临界指标。研究结论为煤矿热动力灾害防治理论及技术进一步发展提供参考。

地下煤火分维—分级探测预警技术研究

为实现煤自燃隐蔽火源的高效监测预警和防治,本文对地下煤火分维—分级探测预警技术展开研究。首先,揭示煤自燃受热升温及燃烧过程的煤自燃的电磁—声波—温—气变化特征,形成电磁—声波—氡气—红外多维探测方法,实现井上井下联合多维探测应用;其次,根据大尺寸煤自燃指标气体产生规律,建立基于正压输运的煤自燃监测预警体系,实现地下煤自燃发火的分级精准预警;最后,依据复杂区域综放面煤层自燃发火特点、影响因素及变化规律,提出复杂开采煤自燃灾害综合防治技术体系。研究成果可为井下煤自燃灾害预警防治提供依据与参考。

矿井煤自燃灾害监测预警技术及发展趋势

以降低矿井火灾的发生率为目标,梳理了矿井煤自燃灾害现有监测预警技术的发展现状,总结了现有技术的局限性和不足,指出未来发展应注重先进监测技术的应用、预测技术准确性的提升、预警系统和智能化管理的发展等。针对矿井煤自燃灾害隐蔽性、持续性、扩散性和难以控制的特点,提出矿井煤自燃灾害监测预警技术未来发展方向:提升煤自然发火临界值确定方法的综合性,利用新兴设备和先进技术完善煤自然发火临界值的确定方法;针对矿井煤自燃复杂环境,可通过研究声波探测等新型先进技术手段,提高矿井煤自燃监测参数的全面性和精细化;推动矿井煤自燃监测预警技术的创新性和决策的智能化,利用数字孪生技术提供精准的模拟与预测能力、优化防控方案、提供培训和应急管理以及数据分析和决策支持等方面的帮助;聚焦矿井自燃灾害全面感知、精准预测与防控智能一体化建设,加强对矿井自燃灾害数据分析、灾前主动预警、灾后事故治理、火区自动封闭等技术的研究。

浅埋近距离煤层群上覆采空区火灾及气体下泄防治研究

针对沙坪煤矿13103工作面浅埋近距离煤层上覆采空区煤层自燃和气体下泄问题,综合利用地面红外探测和同位素测氡等多种方法探测13103工作面上覆采空区自然发火状态,在此基础上用SF6气体进行漏风通道测定,并采用数值模拟方法分析了CO气体的下泄机理。研究结果表明:煤层自燃倾向性、复杂埋藏条件和老窑火区是发生煤层自燃的主要原因,在标定12个火区中心点和39 077 m2隐患区域基础上,发现地面、采空区火区和工作面三者裂隙相互连接是导致CO气体在工作面后半部分涌入工作面并在回风隅角处聚集的主要原因。同时,研究发现,采用井上下联防联控手段可消除上覆采空区内高温点,使得CO气体浓度稳定在0.05%以下,有效控制了采空区自燃和气体下泄问题,保障了13103工作面安全生产。

特厚煤层重复采动作用下采空区自燃“三带”位移变化

为探究特厚煤层重复采动下采空区煤自燃“三带”的分布特征,基于束管监测系统,在铜川下石节煤矿222工作面进行现场实测,确定其自燃“三带”的分布规律。借助Fluent软件分别模拟重复采动及单一采动时采空区内氧气浓度的动态分布规律,发现重复采动采空区内实测结果与数值模拟结果基本一致。与单一采动模拟结果对比,重复采动导致采空区内部的散热带和氧化带出现缩短趋势;在进风侧散热带前移6.8%,氧化带前移7.0%;回风侧散热带前移14.3%,氧化带前移11.3%。研究成果能够为重复采动作用下采空区煤自燃危险区域防治提供依据。

煤自燃全阶段防控研究进展及趋势分析

为深刻了解煤自燃全阶段防控领域的现状及未来趋势,从“监测预警、防治技术、应急救援”3个方面梳理了各阶段研究进展,并提出未来研究方向:运用多元统计分析、物联网、机器学习和人工智能等尖端技术,提升煤自燃预测预报准确性,构建智能化、超前预警与态势研判机制,实现智能化预测预报与超前预警系统;通过多学科交叉研究手段,深刻理解自燃机理、创新防灭火材料、发展新型微生物技术,使得煤自燃防治技术呈现深度研究和多元创新的趋势;在高效、协同、智能的救援机制下,煤自燃应急救援正朝更智能、信息化的方向迈进,期望推动煤自燃防控智能先进发展水平。

有芯热管对高温煤堆温度场的影响实验研究

为了研究有芯热管对煤堆温度场的影响特征与防治煤堆自燃的可行性,利用实验测试有芯、无芯2种热管在不同热源温度下煤堆内部的热量运移规律,并结合数值模拟分析有芯热管不同布置方式对大面积煤堆的移热效果。结果表明:在不同的热源温度下,有芯热管作用煤堆最大降温幅度为130.6 K,无芯热管作用煤堆最大降温幅度为118.6 K;热管对煤堆内部温度场的影响根据距离可划分为高效降温区、过渡区域、缓慢降温区3个区域;采用三角形管群布置,煤堆内部高温区域面积较小;管间间距为25 cm时具有最好的移热效果;相比于管群布置,管间间距对有芯热管的移热效果影响更大。

对综放开放采空区煤炭自燃防治技术的研究

在当今社会经济快速发展的新形势下,煤炭作为重要能源仍旧占据着主导地位,随着开采过程中资源开采深度的增加,尤其是在各种复杂环境条件下,煤炭自燃等矿井灾害问题日益突出。煤炭自燃是煤矿开采过程中的一种严重安全隐患,特别是在综放开放采空区,由于空间大、通风条件差,煤炭自燃的风险更高,这也使综放开放采空区煤炭自燃成为代表性的问题,严重影响了采煤效率及矿井安全生产,因此开展针对此类问题的深入研究具有重要的现实意义。聚焦于综放开放采空区煤炭自燃问题,可有针对性地提出完整的应对方案,希望通过采用综防技术在根本上有效控制和预防井下自燃现象的发生,为矿业生产保驾护航。

冲击性煤层综放面采空区漏风区域识别及控制方法研究

矿井煤层发生冲击失稳易诱发矿压灾害,且工作面间煤柱破碎形成漏风通道,采空区自燃危险性增强。以孟村煤矿401103深埋冲击倾向性超长工作面为工程背景,通过分析工作面开采时漏风及煤自燃诱因,测定工作面及相邻采空区的漏风规律并数值模拟验证煤自燃危险区域,从而制定漏风控制及煤自燃防控措施。结果表明:401103工作面受冲击矿压影响较大,漏风供氧增加了采空区遗煤自燃的风险;漏风观测数据表明面间煤柱存在漏风通道,使得两工作面采空区形成了复合漏风采空区;在401103工作面推进过程中,煤自燃危险区域主要集中于工作面后部采空区,工作面进风隅角与其临近的401102采空区产生明显的漏风涡流区。采用束管监测、漏风封堵、材料阻化与调节风量等综合防控措施,有效控制了工作面及相邻采空区的遗煤自燃,保证了工作面的安全开采。

ZLD-1500型煤矿井下用氮气冷却机组试验研究

主要阐述了ZLD-1500型煤矿井下用氮气冷却机组的低温冷却机组、构成、典型优点及性能参数,并基于矿用制氮装置(氮气流量1500 m^(3)/h、氮气出口压力1.0 MPa)工况下,对煤矿井下用氮气冷却机组的氮气出口压力、氮气出口温度及各项安全保护进行了测试。测试结果表明,机组在氮气流量为1500 m^(3)/h的工况下,氮气出口温度可以达到-30℃,满足现场需求,为采空区自然发火的防治提供了一种行之有效的手段。

采空区均压防灭火技术在滕东煤矿的应用

为了解决采空区漏风造成遗煤自燃的难题,提出了一种煤矿井下调整采空区两端压差的方法,对滕东煤矿通风系统现状进行分析。以均压防灭火机理为依据,设计滕东煤矿均压防灭火工艺方案,利用连通管将各封闭空间互相连接,以此维持封闭空间的压力,保持采空区两端压力平衡,达到防止向采空区漏风供氧的目的。通过在滕东煤矿的井下现场试验,均压防灭火技术能够使密闭内外压力差降到0~20 Pa,使采空区密闭内外压力达到均衡,阻止气体的逸出,有效防止向采空区漏风供氧,从而防止采空区遗煤发生自燃,在滕东煤矿取得较好的防治效果。

价值工程在采空区注浆防灭火技术中的应用探索

本文深度挖掘价值工程的七个逻辑步骤,选定宁夏金凤煤矿大采高工作面采空区自燃问题作为改进对象,通过收集和分析煤矿作业环境、工作面特点及煤层自燃机理等情报资料,进行了详细的功能分析,确定了煤炭自燃风险的核心影响因素。并由此提出了采空区注浆技术作为改进方案,通过数值模拟验证并评价了改进活动的价值成果,本研究不仅解决了采空区自燃问题,进一步展示了价值工程方法在煤矿采空区自燃问题防治中的应用领域的重要价值。

近距离煤层群开采复合采空区火区综合治理技术实践

针对近距离煤层开采形成的上下煤层复合采空区火区治理难题,以唐山沟煤矿83101工作面复合采空区火区为例,采取漏风封堵、均压控风和注浆注氮降温等技术对火区进行治理。启封前,采用注氮惰化及注浆封堵协同技术,在控制异常区域温度和CO气体扩散的同时,降低氧气体积分数,抑制遗煤氧化;启封后,采用均压控风技术,并对高温区域进行强化注浆降温,有效阻断遗煤氧化自燃的蔓延,减少有害气体扩散。现场结果表明,83101复合采空区火区启封前后未发生火区复燃现象,实现了工作面在慢采条件下的安全复采。该实践成果可为近距离煤层开采火区启封及工作面安全复采提供有力支撑。

浅埋厚煤层综采工作面采空区自燃“三带”划分

采空区中氧气作为助燃物质,是造成采空区遗煤自燃的主要因素,而其主要来源为采空区漏风。为了探究采空区自燃“三带”和漏风规律,检测了氧气和一氧化碳的浓度分布情况。对苏家沟煤矿4109南工作面和4109工作面自开切眼至开采到一定范围内采空区氧气、一氧化碳等5种气体浓度变化的规律进行检测观察,根据现场生产实际和地质条件,对综采工作面推进速度、采空区自燃“三带”分布范围、5种气体的浓度关系和自燃危险区域的主要参数进行了分析和计算。研究结果为苏家沟煤矿综采工作面及相似工作面采空区自燃“三带”划分研究和遗煤自燃防治工作提供了一定借鉴。

易自燃采空区瓦斯与火灾共治数值模拟

易自燃煤层采空区瓦斯和火灾综合防治是煤矿亟待解决的难题,基于多孔介质渗流理论,把采空区渗透系数以及瓦斯涌出源项看成随采空区位置变化的量。建立采空区气体流动的质量方程、动量方程、组分传输方程以及能量守恒方程,应用fluent软件模拟采空区在不同工作面供风量、不同抽放情况下采空区流场分布,得出工作面风量与氧化带宽度的拟合关系式。指出瓦斯抽放对采空区瓦斯浓度分布以及氧化带宽度影响比较显著;结合现场观测数据,表明数值模拟的可靠性。通过数值模拟,可以得出采空区不同瓦斯治理参数与氧化带宽度的对应关系,为煤矿采空区瓦斯和火灾合理防治提供依据。

煤矸石山的自燃规律与综合治理工程措施研究

自燃煤矸石山处在不同发育阶段具有不同的燃烧特点。根据矸石山自燃机理和自燃发展不同时期的特征,划分出矸石山自燃的孕育期、发生期、发展期、衰退期4个阶段,由此确定治理施工的安全区、危险区和高危险区。根据矸石山自燃规律,可以选择覆盖法、注浆法等相应的治理方法,抓住有利的治理时机,以有效预防和整治煤矸石山的自燃。针对不同发育时期的煤矸石山燃烧特点,选择不同的预防和整治措施,可以达到事半功倍的效果。

风障联合压实防治煤堆自燃技术工艺参数优化

为提高煤堆自燃的防治效果,降低经济成本和提高施工的灵活性,基于煤堆自燃理论,使用COMSOLMultiphysics 5.0数值仿真软件,建立煤堆自燃模型,研究了煤堆最高温度和自然发火期变化及相关措施实施后最高温度降低规律,对比了单独压实、独立风障和风障联合压实的温度降低量,优化了联合措施的工艺。结果表明,煤堆孔隙率越小,自燃风速范围越宽,最小、最易、最大自燃风速越大;单独进行煤堆压实存在因孔隙率增加而降低的最低不宜风速;针对6 m高煤堆单独使用风障时,只有风障高12 m、距离煤堆25 m才能避免煤堆自燃;风障联合压实措施中,风障高7.5~9 m,设置距离煤堆10~30 m即能保证煤堆不自燃。说明联合的煤堆最高温度降低量更大,且能扩大压实的适用范围,降低风障高度,节约经济成本,增加风障现场施工的灵活性。

近距离煤层综放工作面采空区自然发火防治

为了预防石港煤矿15102工作面发生自然发火,对15102工作面易引起自燃的危险因素进行分析,并在14号煤层打顺层注浆钻孔,注入MEA高分子阻化泡沫,阻化采空区浮煤,同时在工作面推进过程中,在两巷间隔一定距离构筑漏风密闭,有效控制漏风,并使采空区浮煤的氧化得到了有效控制。

浅埋深综放工作面采空区自燃危险区域判定

根据安家岭一号井工矿4106工作面的实际情况,采用现场实测与数值模拟相结合的方法对该浅埋深综放工作面采空区自燃危险区域进行了研究,以采空区松散煤体气流微循环非线性渗流模型、采空区松散煤体温度分布数学模型和采空区松散煤体内氧气迁移模型为基础,建立了基于FLUENT的采空区氧浓度分布三维数学模型,模拟结果与现场实测数据基本吻合,为准确划定浅埋深综放工作面采空区自燃危险区域提供了新的技术手段。最后,根据采空区自燃危险区域范围确定了上隅角预埋管灌注三相泡沫与下隅角预埋管注氮气交替实施的防灭火工艺,实施效果良好。